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研究生： 許芳豪
Hsu Fang-Hao
論文名稱： 以快速原型技術研究組織工程支架孔徑大小對細胞成長之影響
Effect Investigation of Scaffold Porosity Size on Cell Growth for Tissue Engineering Using Rapid Prototyping Technology
指導教授： 鄭正元
Jeng-ywan Jeng
口試委員: 楊台鴻
Tai-Horng Youn
鄭逸琳
Yih-Lin Cheng
陳羿貞
Yi-Jane Chen
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 103
中文關鍵詞： 瓊酯 、組織工程 、快速原型 、孔徑尺寸 、聚己內酯
外文關鍵詞： porosity size, pcl, agar, rapid prototyping, tissue engineering
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    • 組織工程支架為一多孔性支架，可提供很好的環境讓細胞貼附生長、分化和形成細胞外間質(Extracellular Matrix , ECM)，文獻指出骨再生所需之最佳孔徑為350μm以下，但卻無法得知於此範圍內，孔徑大小對細胞成長的影響。
    因此，本研究針對骨再生所適合成長之最佳孔徑範圍內，利用快速原型的技術，以層加工堆疊的方式製作聚己內酯（Polycaprolactone , PCL）多孔性支架，而製作支架Fiber寬度約為130~ 160μm，因此選用線中心距為200、250、300μm之尺寸進行支架製作，其孔徑大小介於70~180μm間，隨後將骨母細胞（MG63）植入、培養於支架內，藉由活性實驗來得知細胞於線中心距為200μm之孔徑支架其成長活性表現最好。並將所製作之PCL支架進行各項物理性質及機械性質之測試，得知PCL藉由有機溶劑氯仿（Chloroform）來溶解，製作支架材料並不會改變PCL的原始性質，且製作之支架具有不錯的機械強度，因而本實驗可作為未來在支架植入於動物體內之實驗參考。
    針對所製作之組織工程支架PCL，其整體呈現乳白色，不具透光性，因此培養細胞後無法藉由顯微鏡立即觀測細胞成長之情形，因而使用瓊酯（Agar）為材料，藉由瓊酯具備透明性之優點，來建構組織工程支架，以改善上述之缺點。

    Tissue Engineering scaffold is a porous scaffold , it can offer cell an excellent environment to adhesion , grow , differentiate and form ECM , Documents point out that the best porosity of the bone regeneration is under 350μm , but still unable to learn that the influence of porosity size upon cell growth in this range .
    Therefore , this research is direct to the best porosity suitable for growth range of the bone regeneration , utilize rapid prototyping technology . Layered manufacturing techniques . Fabricating porous scaffolds of PCL and the width of fiber is about 130~160 μm . Therefore , select the 200 , 250 , 300μm of line diameter to fabricate scaffolds , and porosity sizes are between 70~180μm . To implant and culture the osteoblast cell (MG63) in the scaffold afterwards. Know that cells are the best activity for the scaffold of line diameter of 200 μm porosity by MTT. On the test of every physical property and mechanical property fabrication of PCL scaffold . Know that PCL is dissolved with the organic solvent chloroform . Fabricating the scaffold material will not change nature property of PCL and fabricate the scaffold material has good mechanical intensity . Therefore , this experiment can be consulted as the experiment that implant scaffold in animal's body in the future .
    Direct to the fabrication of PCL scaffold of Tissue Engineering , it appears milkiness wholly and does not have opaque quality . Therefore , it can not observe the cell growth immediately with the microscope after culture cell . Then we use the agar as material , through the advantage of transparent quality to build the Tissue Engineering scaffold , by means of this to improve above-mentioned shortcomings .

    目錄 摘要…………………………………………………………………………………………Ⅰ Abstract……………………………………………………………………………………Ⅱ 誌謝…………………………………………………………………………………………Ⅲ 目錄…………………………………………………………………………………………Ⅳ 圖索引………………………………………………………………………………………Ⅶ 表索引………………………………………………………………………………………X 附錄一………………………………………………………………………………………XI 附錄二………………………………………………………………………………………XI 第一章 緒論………………………………………………………………………………1 1.1 前言………………………………………………………………………………1 1.2 研究背景及目的…………………………………………………………………1 1.3 論文撰寫架構……………………………………………………………………3 第二章 文獻回顧…………………………………………………………………………5 2.1 組織工程簡介……………………………………………………………………5 2.2 生醫材料簡介……………………………………………………………………9 2.3 支架特性…………………………………………………………………………14 2.4 快速原型簡介……………………………………………………………………16 2.4.1 快速原型加工原理………………………………………………………………16 2.4.2 快速原型技術製作PCL支架 ……………………………………………………17 2.4.3 快速原型技術製作凝膠支架……………………………………………………20 2.5 各種細胞之最佳孔徑……………………………………………………………21 2.6 支架降解方法……………………………………………………………………23 2.6.1 重量損失…………………………………………………………………………24 2.6.2 材料含水率………………………………………………………………………25 2.6.3 重量平均分子量與分子量分佈變化……………………………………………26 2.7 生物反應器………………………………………………………………………27 2.7.1 循環生物反應……………………………………………………………………29 第三章 成型系統架構與設備簡介………………………………………………………30 3.1 支架製作流程簡介………………………………………………………………30 3.2 硬體架構…………………………………………………………………………32 3.2.1 機構系統設計……………………………………………………………………33 3.2.2 精密擠出螺桿組…………………………………………………………………34 3.2.3 氣壓控制閥………………………………………………………………………35 3.2.4 加熱控制器及纏繞式加熱線圈…………………………………………………35 3.3 細胞培養箱………………………………………………………………………36 3.4 動態循環自動更新培養液生物反應器…………………………………………41 3.5 支架性質測試儀器………………………………………………………………43 3.5.1 熱重量分析儀……………………………………………………………………44 3.5.2 熱示差掃描分析儀………………………………………………………………45 3.5.3 萬能拉力試驗機…………………………………………………………………46 3.5.4 動態機械分析儀…………………………………………………………………46 3.5.5 掃描式電子顯微鏡………………………………………………………………46 3.5.6 酵素連結免疫吸附分析顯示儀…………………………………………………47 3.5.7 其餘設備之簡介…………………………………………………………………48 3.6 實驗藥品…………………………………………………………………………49 3.7 路徑規劃…………………………………………………………………………51 第四章 系統測試與材料性質分析………………………………………………………53 4.1 動態循環自動更新培養液生物反應器測試……………………………………56 4.2 支架材料性質測試………………………………………………………………57 4.2.1 物理性質測試……………………………………………………………………57 4.2.1.1熱重量分析測試…………………………………………………………………57 4.2.1.2熱示差掃描分析測試……………………………………………………………58 4.2.2 機械性質測試……………………………………………………………………59 4.2.2.1拉伸試驗…………………………………………………………………………59 4.2.2.2動態機械性質分析………………………………………………………………60 4.2.3 支架孔隙率………………………………………………………………………60 4.3 支架孔徑大小對細胞之影響……………………………………………………62 4.3.1 細胞活性測試……………………………………………………………………62 4.3.1.1實驗方法及步驟…………………………………………………………………64 4.3.2 觀測孔徑對細胞之影響情形……………………………………………………65 4.4 瓊酯支架製作規劃………………………………………………………………66 4.5 細胞培養…………………………………………………………………………66 4.5.1 骨母細胞…………………………………………………………………………67 4.5.2 細胞計數…………………………………………………………………………67 4.5.3 細胞固定…………………………………………………………………………68 第五章 實驗結果與分析…………………………………………………………………69 5.1 動態循環自動更新培養液生物反應器測試……………………………………69 5.2 支架材料性質測試結果…………………………………………………………71 5.2.1 物理性質測試結果………………………………………………………………71 5.2.1.1熱重量分析測試結果……………………………………………………………72 5.2.1.2熱示差掃描分析測試結果………………………………………………………73 5.2.2 機械性質測試結果………………………………………………………………75 5.2.2.1拉伸試驗測試結果………………………………………………………………75 5.2.2.2動態機械性質分析結果…………………………………………………………78 5.2.3 支架孔隙率分析…………………………………………………………………80 5.3 支架孔徑大小對細胞影響之結果………………………………………………81 5.3.1 支架孔徑大小影響細胞活性測試………………………………………………81 5.3.2 觀測孔徑對細胞成長之影響結果………………………………………………83 5.4 瓊酯材料工作性質測定…………………………………………………………84 5.4.1 加工參數…………………………………………………………………………84 5.4.2 瓊酯支架製作……………………………………………………………………88 5.4.3 培養細胞測試……………………………………………………………………90 第六章 結論與未來研究方向……………………………………………………………92 6.1 結論………………………………………………………………………………92 6.2 未來研究方向……………………………………………………………………94 參考文獻 ……………………………………………………………………………………96 附錄一………………………………………………………………………………………100 附錄二………………………………………………………………………………………101 圖索引 圖2-1 組織工程三要素……………………………………………………………………6 圖2-2 膠原蛋白……………………………………………………………………………10 圖2-3 人工皮膚……………………………………………………………………………10 圖2-4 利用明膠等材料所製作之支架……………………………………………………11 圖2-5 PGA、PLA、PLGA化學結構式………………………………………………………12 圖2-6 PLA、PGA共聚物成分與降解半衰期關係…………………………………………12 圖2-7 MG-63於PCL/PLGA(85/15)材料上生長活性之比較圖……………………………13 圖2-8 聚己內酯結構圖……………………………………………………………………14 圖2-9 快速成型工作流程…………………………………………………………………17 圖2-10 以FDM技術製作支架及其剖面圖 …………………………………………………18 圖2-11 由SLS所製作之PCL支架……………………………………………………………19 圖2-12 齒模支架正視圖……………………………………………………………………20 圖2-13 齒模支架側視圖……………………………………………………………………20 圖2-14 利用瓊酯等材料製作完成的支架…………………………………………………21 圖2-15 PCL材料之MTT測試…………………………………………………………………23 圖2-16 PLGA(85/15)/PCL在不同降解系統中的重量損失差異 …………………………25 圖2-17 PLGA(85/15)/PCL材料的含水率(靜態降解系統) ………………………………26 圖2-18 PLGA(85/15)/PCL材料的含水率(動態降解系統) ………………………………26 圖2-19 靜態與動態環境下之分子量損失比較圖…………………………………………27 圖2-20 循環生物反應器示意圖……………………………………………………………29 圖3-1 支架製作流程圖……………………………………………………………………31 圖3-2 快速成型系統………………………………………………………………………33 圖3-3 精密擠出螺桿組……………………………………………………………………34 圖3-4 儲料筒與活塞………………………………………………………………………34 圖3-5 不銹鋼針頭組………………………………………………………………………34 圖3-6 氣壓控制器…………………………………………………………………………35 圖3-7 加熱控制器…………………………………………………………………………36 圖3-8 纏繞式加熱線圈……………………………………………………………………36 圖3-9 快速成型系統結合細胞培養箱示意圖……………………………………………38 圖3-10 快速成型系統結合細胞培養箱……………………………………………………38 圖3-11 細胞培養箱氣牆裝置………………………………………………………………39 圖3-12 氣牆裝置及操作窗口………………………………………………………………39 圖3-13 溫度控制器及感溫線………………………………………………………………39 圖3-14 熱電耦………………………………………………………………………………39 圖3-15 散熱式空氣加熱電熱管……………………………………………………………40 圖3-16 調壓器與流量控制閥………………………………………………………………41 圖3-17 動態循環自動更新培養液生物反應器系統示意圖………………………………43 圖3-18 動態循環自動更新培養液生物反應器系統………………………………………43 圖3-19 熱重量分析儀………………………………………………………………………44 圖3-20 鋁盤及鋁盤蓋………………………………………………………………………45 圖3-21 熱示差掃描分析儀…………………………………………………………………45 圖3-22 掃描式電子顯微鏡…………………………………………………………………47 圖3-23 ELISA顯示儀 ………………………………………………………………………47 圖3-24 加工路徑示意圖……………………………………………………………………52 圖4-1 支架製作方式offset側視圖………………………………………………………63 圖4-2 支架製作方式offset正視圖………………………………………………………63 圖4-3 製作出Fiber約為140~160μm………………………………………………………64 圖4-4 線徑中心距為200μm ………………………………………………………………64 圖4-5 線徑中心距為250μm ………………………………………………………………64 圖4-6 線徑中心距為300μm ………………………………………………………………64 圖4-7 活細胞代謝產生formazan之反應圖………………………………………………65 圖5-1 細胞貼附於生物反應器之培養盤上顯微鏡圖……………………………………70 圖5-2 PCL之Td測試 ………………………………………………………………………72 圖5-3 PCL & Chloroform（25%）之Td測試 ……………………………………………73 圖5-4 PCL之Tm測試 ………………………………………………………………………74 圖5-5 PCL & Chloroform（25%）之Tm測試 ……………………………………………74 圖5-6 多孔性支架拉伸試驗斷裂情形……………………………………………………77 圖5-7 各種支架製作之抗拉強度…………………………………………………………77 圖5-8 各種支架製作之延伸率……………………………………………………………77 圖5-9 動態機械分析趨勢圖………………………………………………………………79 圖5.10 支架底部與平台接觸導致坍塌情形………………………………………………81 圖5.11 PCL支架fiber具有偏置量（offset）……………………………………………83 圖5-12 1：100製作fiber其尺寸擴大坍塌情形 …………………………………………85 圖5-13 5：100製作2層支架 ………………………………………………………………86 圖5-14 支架乾硬黏著性不佳………………………………………………………………86 圖5-15 出料太快造成材料噴濺……………………………………………………………87 圖5-16 噴塗頭出料過快造成材料堆積……………………………………………………87 圖5-17 z＝1~1.5mm…………………………………………………………………………87 圖5-18 z＝1~1.5mm製作支架………………………………………………………………87 圖5-19 z＝3mm製作支架……………………………………………………………………88 圖5-20 正方形支架…………………………………………………………………………89 圖5-21 正方形支架放大圖…………………………………………………………………89 圖5-22 長方形支架…………………………………………………………………………89 圖5-23 製作4層支架 ………………………………………………………………………89 圖5-24 製作3層之正視放大圖 ……………………………………………………………89 圖5-25 製作3層之側視圖 …………………………………………………………………89 圖5-26 瓊酯支架培養MG63一週情形………………………………………………………90 圖5-27 MG63培養一週之瓊酯支架移至新的培養盤………………………………………91 圖5-28 無植入細胞之瓊酯支架……………………………………………………………91 表索引 表2.1 適合骨再生的最佳孔徑……………………………………………………22 表2.2 製作PCL支架孔隙率之比較……………………………………………22 表2.3組織工程生物反應器性能比較……………………………………………28 表4.1不同參數之支架……………………………………………………………63 表 5.1 動態循環自動更新培養液生物反應器實驗結果…………………………71 表5.2兩者之裂解溫度比較………………………………………………………73 表5.3兩者之溶點溫度比較………………………………………………………75 表5.4 拉力試驗數據………………………………………………………………76 表 5.5各種組織之儲存模數比較…………………………………………………79 表 5.6各種組織之tanδ比較……………………………………………………79 表 5.7 不同孔徑之PCL支架孔隙率比較…………………………………………80 表5.8瓊酯支架加工參數…………………………………………………………88 表6.1支架應用於骨再生之最佳參數……………………………………………93 附錄一 圖1 各種孔徑尺寸培養MG63細胞之活性比較圖…………………………100 附錄二 圖1 200μm培養2週10×104 cells / cc……………………………………………101 圖2 200μm培養4週10×104 cells / cc……………………………………………101 圖3 250μm培養2週40×104 cells / cc……………………………………………101 圖4 250μm培養4週40×104 cells / cc……………………………………………101 圖5 300μm培養2週10×104 cells / cc…………………………………………101 圖6 300μm培養4週10×104 cells / cc…………………………………………101 圖7 200μm培養2週40×104 cells / cc…………………………………………102 圖8 200μm培養4週40×104 cells / cc…………………………………………102 圖9 250μm培養2週10×104 cells / cc…………………………………………102 圖10 250μm培養4週10×104 cells / cc…………………………………………102 圖11 300μm培養2週40×104 cells / cc…………………………………………102 圖12 300μm培養4週40×104 cells / cc…………………………………………102 圖13 250μm截面培養4週40×104 cells / cc……………………………………103 圖14 截面放大 ……………………………………………………………………103

    1.曾清秀、呂桓綜、李永全，“幫細胞蓋一個家──組織工程用支架”，科學發展第362期，2002年8月。
    2.Lanza, R.P., Langer, R. and Vacanti, J., “Principles of Tissue Engineering,2nd Ed.”, Academic Press, 2000.
    3.Rüdiger Landers et al., “Rapid prototyping of scaffolds derived from thermoreversible hydrogels and tailored for applications in tissue engineering”, Biomaterials 23 (2002), pp.4437-4447.
    4.徐善慧、陳俊宇，“巧奪天工的人類智慧－組織工程”，科學發展356期，2002年8月。
    5.李宣書，“淺談組織工程”，物理雙月刊二十四卷三期，2001年6月。
    6.(http://www.itri.org.tw/) 工業技術研究院網頁。
    7.余柏毅，“幾丁聚醣、膠原蛋白、明膠之具表面微構形膜材製備與其在組織工程上之應用”，私立元智大學化學工程學系碩士論文，中華民國九十二年六月。
    8.黃穎斐，“生醫敷料及人工皮膚”，科學發展380期，2004年8月。
    9.Yongnian Yan et al., “Fabrication of viable tissue-engineered constructs with 3D cell-assembly technique”,Biomaterials 26 (2005) , pp.5864–5871.
    10.吳侑峻，“利用聚乳酸-聚乙醇酸共聚物當作支架”，國立成功大學生物科技研究所碩士論文，中華民國九十二年一月。
    11.Shoufeng Yang et al., “The design of scaffolds for use in tissue engineering. Part I. Traditional Factors”, Tissue Engineering, Volume 7, Number 6,2001,679-689.
    12.黎坤瓚，“在細胞育成環境中使用快速成型技術製作組織工程支架之可行性研究”，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，中華名國九十四年。
    13.J. M. Yang; H. L. Chen; J. W. You; J. C. Hwang, Polymer Journal,Vol. 29, pp657~662,( 1997 ).
    14.Y. H. Na; Y. He; X. Shuai; Y. Kikkawa; Y. Doi; Y.Inoue, Biomacromolecules, Vol. 3, pp1179~1186, ( 2002 ).
    15.C. H. Kim; K. Y. Cho; E. J. Choi; J. K. Park, Journal of Applied Polymer Science , Vol. 77, pp226~231, ( 2000 ).
    16.R. Dell’Erba; G. Groeninckx; G. Maglio; M.Malinconico; A.Migliozzi, Polymer, Vol. 42, pp7831~7840, ( 2001 ).
    17.G. Maglio; A. Migliozzi; R. Palumbo; B. Immirzi; M. G. Volpe, Macromolecular Rapid Communications, Vol. 20, pp236~238,( 1999 ).
    18.T.B.F. Woodfield, J. Malda, J. de Wijn, F. Peters, J. Riesle, C.A. van Blitterswjk. “Design of porous scaffolds for cartilage tissue engineering using a three-dimensional fiber-deposition technique”. Biomaterials 25 (2004) 4149-4161.
    19.Mikos, A. G. and Temenoff, J. S.,“ Formation of Highly PorousBiodegradable Scaffolds for Tissue Engineering ”, Electronic Journal of Biotechnology, Vol. 3, No.2, 2000
    20.C. K. Chua, K. F. Leong, et al.,“Development of a Tissue Engineering Scaffold Structure Libraryfor Rapid Prototyping. Part 2: Parametric Library and AssemblyProgram” . Int J Adv Manuf Technol (2003) 21:302–312.
    21.鄭正元，“電腦輔助設計技術參考手冊---快速原型加工”，國立台灣工業技術學院機械工程技術系，1997。
    22.Zein I et al., ”fused deposition modeling of novel scaffold architecture for tissue engineering application.” Biomaterials 2002;23(4):1169-1185.
    23.Jessica M. Williams et al., “Bone tissue engineering using polycaprolactone scaffold fabricated via selective laser sintering.” Biomaterials 26 (2005) 4817-4827.
    24.Shoufeng Yang et al., “The design of scaffolds for use in tissue engineering. Part I. Traditional Factors”, Tissue Engineering, Volume 7, Number 6,2001,679-689.
    25.Boyan BD et al., “Role of material surfaces in regulating bone and cartilage cell response”.Biomaterials 1996;17(2):137-146.
    26.Yannas IV, Lee E et al., “Synthesis and characterization of a model extracellular matrix that induces partical regeneration of adult mammalian skin”. Proc Natl Acad Sci USA 1989;86-933.
    27.Agrawal CM,McKinney et al., “Effects of fluid flow on the in vitro degradation kinetics of biodegradable scaffolds for tissue engineering. Biomaterials 2000;21:2443-53.
    28.宋麟祥(工研院生醫中心生醫材料暨組織/工程技術組研究員)。
    29.江卓培，“新式多光源系統之研發與固化收縮變形之分析”，國立台灣科技大學機械系博士學位論文，中華民國九十二年一月。
    30.Frederique Triaud, Diane-Helene et al., “Evaluation of Automated Cell Culture Incubators.” JALA December 2003.
    31.Hak-Joon Sung et al., “The effect of scaffold degradation rate on three-dimensional cell growth and angiogenesis.”Biomaterials 25 (2004) 5735-5742.
    32.Mayumi Shimizu, Yuichi Takakuwa, Sumio Nitta. “Study of stimulation-secretion coupling in a flow culture system：periodic secretion of hepatocyte growth factor by interleukin - 1α - stimulated human embryonic lung fibroblasts.”Biochimica et Biophysica Acta 1244 (1995) 357-362.
    33.(http://www.tainstruments.com/) TA Instruments公司網頁。
    34.蔡正彬，”應用快速原形技術線上製作組織工程支架之可行性研究”，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，中華名國九十三年。
    35.許富發，”特定單脈衝電磁場對尼古丁所引發造骨細胞凋亡之抑制效果”，私立中原大學醫學工程學系碩士論文，中華名國九十三年七月。
    36.呂桓综，”組織工程用精密支架之製造”，國立中央大學機械工程研究所碩士論文，中華名國九十一年七月。
    37.Balooch G et al., “Evaluation of a new modulus mapping technique to investigate microstructural features of human teeth.”, J Biomech. 2004 Aug;37(8):1223-32.
    38.Junro Yamashita et al., “Collagen and bone viscoelasticity：A Dynamic Mechanical Analysis.”, Biomed Mater Res. 2002;63(1):31-6.

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